單組份聚氨酯炮孔填塞劑應(yīng)用性試驗(yàn)

康永全，薛 里，孟海利，孫崔源，郭云龍

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

炮孔填塞是爆破施工過(guò)程中非常重要卻常常被忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，填塞質(zhì)量的好壞關(guān)乎著炸藥能量利用率和爆破效果[1]，我國(guó)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)明確指出[2]“硐室、深孔和淺孔爆破裝藥后都應(yīng)進(jìn)行填塞，禁止無(wú)填塞爆破”，而且鐵路、公路、油氣、地鐵、水工和煤礦領(lǐng)域的鉆孔爆破施工規(guī)范也要求炮孔均應(yīng)進(jìn)行良好填塞[3]。

目前爆破施工炮孔填塞材料主要為手工炮泥、機(jī)制炮泥和炮泥塞，炮泥的主要成分為黏土和砂子。傳統(tǒng)的炮泥填塞存在以下不足：施工現(xiàn)場(chǎng)地處偏僻，炮泥取材十分受限；對(duì)于上向孔和水平孔，人工填塞炮泥操作繁瑣，影響施工效率；遇富水地質(zhì)段，炮泥泡稀變軟，填塞效果大打折扣；建構(gòu)(筑)物拆除爆破施工中，炮泥與被爆體物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，容易產(chǎn)生較多飛石，且預(yù)裝藥時(shí)間較長(zhǎng)，炮泥容易干縮。傳統(tǒng)的人工填塞炮泥方法，經(jīng)常出現(xiàn)填塞不到位的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效封堵，況且單純依靠炮泥和孔壁的摩擦力，尚達(dá)不到良好的填塞效果。

目前隧道爆破施工大都采用無(wú)填塞爆破，僅靠增加裝藥量取得掘進(jìn)效果[4]，炮泥填塞沒(méi)有得到很好的普及應(yīng)用，達(dá)不到爆破施工規(guī)范要求。因此，有必要研制一種操作簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良的新型填塞材料，以提高炮孔的填塞質(zhì)量，并適應(yīng)精細(xì)爆破技術(shù)的發(fā)展。為此，提出了使用聚氨酯泡沫材料作為炮孔的填塞材料，其具有耐高溫、高膨脹性、無(wú)毒無(wú)味、摩擦系數(shù)高以及制備灌封簡(jiǎn)單、固化快等特點(diǎn)，是爆破炮孔填塞材料的最佳選擇。

1 炮孔填塞劑

1.1 TK炮孔填塞劑組成及特點(diǎn)

圖1 炮孔填塞劑Fig.1 Blasting hole filler

TK-BHG-T型炮孔填塞劑(已申報(bào)發(fā)明專利)是一種高性能單組分聚氨酯泡沫材料，由微膠囊包覆催化劑、聚酯多元醇、聚醚多元醇、泡沫穩(wěn)定劑、阻燃劑、多異氰酸酯、發(fā)泡劑等成分組成，主要用于小直徑炮孔的快速高效填塞(見(jiàn)圖1)。這是針對(duì)爆破施工的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)和安全性要求，經(jīng)過(guò)大量基礎(chǔ)性能實(shí)驗(yàn)包括對(duì)力學(xué)性能、摩擦系數(shù)、反應(yīng)放熱性、靜電性能、阻燃性能的論證研究，研制出的一種爆破施工中專用的炮孔填塞劑，其性能特點(diǎn)：

1)操作簡(jiǎn)單，施工方便，每孔填塞時(shí)間占用3～5 s，與傳統(tǒng)的炮泥填塞相比，效率提高90%以上；

2)高膨脹性，膨脹率為20～30倍，比較適用于不規(guī)則炮孔，且能保證設(shè)計(jì)要求的填塞長(zhǎng)度；

3)固化時(shí)間短，固化時(shí)間≤30 min，滿足正常爆破施工工序要求；

4)粘結(jié)強(qiáng)度高，能夠與孔道圍巖形成良好的粘結(jié)，引爆時(shí)避免泡沫體與巖石脫離，提高填塞質(zhì)量和爆炸效果；

5)材料可靠安全，反應(yīng)溫升≤10 ℃，無(wú)毒，耐高溫，高阻燃性，能避免爆破瞬間造成泡沫體燃燒；

6) 具有高反光性，便于識(shí)別已填塞的孔數(shù)、孔位，了解炮孔填塞情況。

1.2 炮孔填塞劑施工步驟

1)炮孔清吹干凈，將炸藥卷安裝到位，引出雷管腳線。

2)按設(shè)計(jì)填塞長(zhǎng)度選用相應(yīng)的噴槍，搖晃料罐20～30 s后，把噴槍安裝到料罐上，使用時(shí)保持罐口朝下。

3)將噴槍插入孔內(nèi)，沿炮孔由里而外緩慢地噴入材料，孔口留5～10 cm不用噴。

4)炮孔填塞完成后，表面噴水，固化效果更佳。

5)等待物料發(fā)泡膨脹，固化后與孔壁緊密粘接，完成炮孔填塞。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工點(diǎn)概況

新建北京至張家口鐵路工程南口隧道位于北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)，隧道進(jìn)口位于東園子村北側(cè)，出口位于臭泥坑村北側(cè)采石場(chǎng)內(nèi)，線位總體位于老京張線東側(cè)。南口隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，軌道形式為無(wú)砟軌道。隧道全長(zhǎng)3.032 km，其中，Ⅱ級(jí)圍巖1 345延長(zhǎng)米，Ⅲ級(jí)圍巖1 450延長(zhǎng)米，Ⅳ級(jí)圍巖130延長(zhǎng)米，Ⅴ級(jí)圍巖107延長(zhǎng)米(進(jìn)出口范圍內(nèi))，試驗(yàn)段隧道采用全斷面開(kāi)挖，圍巖等級(jí)Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面面積126 m2。

京張高鐵是2022年冬奧會(huì)交通保障工程，國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，工期十分緊張，另外，Ⅱ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖，且?guī)r性條件比較穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件和工程特點(diǎn)分析，認(rèn)為此工點(diǎn)適宜作爆破炮孔填塞的工業(yè)性試驗(yàn)，便于進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的分析和比較。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)操作簡(jiǎn)便性。當(dāng)各區(qū)域炸藥裝填完成后，隨即采用炮孔填塞劑進(jìn)行炮孔填塞(見(jiàn)圖2)，每孔填塞時(shí)間約占3～5 s，可與爆破聯(lián)網(wǎng)作業(yè)同步進(jìn)行，幾乎不會(huì)延長(zhǎng)爆破作業(yè)時(shí)間，操作簡(jiǎn)單，具有良好的現(xiàn)場(chǎng)操作性。

圖2 填塞施工方法Fig.2 Construction method of blasting hole filler

2)反應(yīng)放熱性。單組份聚氨酯填塞材料在發(fā)泡膨脹過(guò)程中，跟空氣中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)釋放一定的熱量。由于該材料與導(dǎo)爆管直接接觸，如果發(fā)熱量過(guò)大，則有可能引起導(dǎo)爆管損傷產(chǎn)生拒爆或引發(fā)早爆等危險(xiǎn)情況，所以，需測(cè)試反應(yīng)放熱量，以確保其作為炮孔填塞材料的安全性。根據(jù)《塑料導(dǎo)爆管》(WJ/T 2019-2004)的規(guī)定[5]“在-40～50 ℃范圍內(nèi)，具有工業(yè)雷管正常起爆感度；在溫度為20 ±10 ℃的條件下，傳爆可靠性更高”。

聚氨酯泡沫材料噴入測(cè)試空孔后，由于巖壁濕度(98.4%)較大，物料與水分接觸并開(kāi)始反應(yīng)，前10 min，溫度只升高1 ℃；在10～20 min之間，反應(yīng)較為迅速，溫度升高較快，平均加熱速率為0.64 ℃/s，最高反應(yīng)溫度為19 ℃；30 min左右，材料化學(xué)反應(yīng)完成，溫度不再升高，已經(jīng)完全硬化；35 min后，伴隨著熱傳導(dǎo)和熱輻射，熱量逐漸消失(見(jiàn)圖3)。在該隧道溫、濕度條件下(環(huán)境溫度16.4 ℃，環(huán)境濕度90.9%)，聚氨酯材料完全硬化需要29 min。

圖3 填塞劑反應(yīng)溫升過(guò)程Fig.3 Temperature rise chart of filler reaction

由于聚氨酯填塞物在孔口位置呈長(zhǎng)條狀分布，熱量不會(huì)產(chǎn)生大量集聚，經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，其發(fā)泡硬化反應(yīng)溫升不超過(guò)10 ℃，不會(huì)對(duì)塑料導(dǎo)爆管的傳爆造成影響。因此，該聚氨酯材料作為炮孔填塞材料是安全可靠的。

3)阻燃性能。炸藥爆炸將產(chǎn)生高溫、高壓的熱力場(chǎng)環(huán)境，如果聚氨酯材料極易燃燒的話，爆炸產(chǎn)生的瞬間高溫可能會(huì)引燃聚氨酯，導(dǎo)致變形萎縮，影響填塞效果。因此《爆破安全規(guī)程》規(guī)定[2]：“填塞炮孔的炮泥中不得混有石塊和易燃材料”。該聚氨酯泡沫材料無(wú)毒、無(wú)味，進(jìn)行阻燃改性后，具有自熄滅性，其良好的阻燃性能，保證了其作為填塞材料的可靠性。從爆堆殘留的聚氨酯固化體中未見(jiàn)燃燒發(fā)黑痕跡(見(jiàn)圖4)，阻燃性能滿足規(guī)范要求，且導(dǎo)爆管正常傳爆，滿足安全要求。

圖4 聚氨酯固化體Fig.4 Polyurethane cured body

4)炮孔利用率。炮孔利用率是反應(yīng)填塞效果的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，炮孔利用率提高，炸藥單耗則相應(yīng)減少，施工速度加快，綜合開(kāi)挖成本降低。所以在裝藥前，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)掏槽孔、輔助孔和周邊孔的深度，計(jì)算出平均炮孔深度；在隧道邊墻顯眼位置，噴涂一定長(zhǎng)度的熒光黃自動(dòng)噴漆作為參考線，利用激光測(cè)距儀測(cè)量掌子面與參考點(diǎn)的距離(見(jiàn)圖5)。起爆后，再次測(cè)量掌子面與參考點(diǎn)的距離，計(jì)算本次爆破掘進(jìn)進(jìn)尺(見(jiàn)圖6)。

圖5 全斷面炮孔填塞試驗(yàn)Fig.5 Full section blasting hole filling test

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該材料填塞炮孔，爆破循環(huán)進(jìn)尺增加0.15～0.3 m，炮孔利用率提高7%～11%。節(jié)省了鉆孔成本和炸藥成本，加快了施工速度。

圖6 爆破進(jìn)尺測(cè)量Fig.6 Advanced depth measurement

5)破碎塊度。爆堆的形狀、松散程度是衡量爆破質(zhì)量的重要指標(biāo)。為此，進(jìn)行兩種不同填塞方式爆堆的高度、長(zhǎng)度及巖體破碎塊度的對(duì)比分析。為便于比較，左半斷面炮孔使用聚氨酯填塞劑填塞，右邊炮孔不填塞。炮孔填塞爆破與無(wú)填塞爆破相比，爆堆較為集中，飛石距離明顯減小，巖碴塊度破碎均勻(見(jiàn)圖7)；無(wú)填塞爆破有時(shí)產(chǎn)生大塊巖石，需進(jìn)行二次破碎，嚴(yán)重滯緩后續(xù)工作的進(jìn)行。

圖7 半斷面炮孔填塞試驗(yàn)Fig.7 Half section blasting hole filling test

6)光爆效果。光面爆破是決定隧道開(kāi)挖質(zhì)量好壞的關(guān)鍵技術(shù)，炮孔填塞則是隧道光面爆破設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析兩種填塞方式對(duì)隧道輪廓平整度和半孔率的影響可知，使用炮孔填塞劑對(duì)周邊孔進(jìn)行填塞，可減少一卷的藥量，爆后相鄰兩孔間巖面平整，隧道輪廓成型良好；炮孔痕跡在開(kāi)挖輪廓面上分布均勻，半孔率達(dá)到92%，孔壁無(wú)明顯的爆振裂隙，對(duì)圍巖的損傷大大減小，光爆效果明顯好于無(wú)填塞爆破(見(jiàn)圖8)，降低了超欠挖帶來(lái)的成本增加，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖8 光面爆破效果Fig.8 Smooth blasting effect

圖9 沖擊波壓力時(shí)程 Fig.9 Shock pressure time history

7)爆破噪聲和空氣沖擊波。在隧道洞口離掌子面280 m處設(shè)置爆破噪聲和空氣沖擊波監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用AWA5636型聲級(jí)計(jì)測(cè)量噪聲大小，采用TC-4850爆破測(cè)振儀配合TCS-AB沖擊波壓力傳感器測(cè)試爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波強(qiáng)度，炮孔填塞后的沖擊波壓力時(shí)程如圖9所示。經(jīng)測(cè)試，使用炮孔填塞劑后，爆破時(shí)聲音變“悶”，噪聲強(qiáng)度減小15.7 dB，說(shuō)明了該填塞泡沫材料疏松多孔，具有良好的吸音降噪功能；鉆孔爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波，大都是爆炸氣體沖出炮孔和界面空氣而形成的，沖擊波壓力峰值在炮孔不填塞時(shí)為8 732 Pa，炮孔進(jìn)行填塞后為7 587 Pa，這也證明了炮孔填塞后，將空氣沖擊波能量轉(zhuǎn)化成破碎巖石的能量，促進(jìn)了爆炸能量的有效利用和合理控制，同時(shí)縮短了爆碴的拋擲距離，增加了爆破的安全性。

2.3 填塞劑效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

在開(kāi)挖斷面約100 m2(不含仰拱)的爆破炮孔填塞的工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，以楔形掏槽的方式鉆孔，炮孔填塞前后的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其中周邊孔深3.8 m，不填塞時(shí)的循環(huán)進(jìn)尺為3.3 m，采用炮孔填塞劑后，循環(huán)進(jìn)尺平均增加到3.6 m，進(jìn)尺率提高9%；每循環(huán)節(jié)省炸藥約24 kg，炸藥單耗由原來(lái)的1.1 kg/m3降低到0.94 kg/m3。開(kāi)挖1 km單線隧道可節(jié)省直接爆破成本40萬(wàn)左右。另外，光爆效果得到改善，超欠挖產(chǎn)生的噴護(hù)成本降低；由于炮孔利用率提高了9.1%，掌子面上基本無(wú)殘孔，減少了重復(fù)鉆孔的次數(shù)，降低了成本；孔內(nèi)炸藥爆炸反應(yīng)更充分，減少有毒氣體的生成量，縮短通風(fēng)時(shí)間，改善隧道作業(yè)環(huán)境；空氣沖擊波的強(qiáng)度降低了13%，減弱了對(duì)隧道內(nèi)機(jī)械設(shè)備的損害，這些間接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也是可觀的，據(jù)估算，開(kāi)挖1 km單線隧道可節(jié)省間接爆破成本20萬(wàn)左右。

表1 炮孔填塞前后的技術(shù)指標(biāo)

TK炮孔填塞劑完全硬化需要30 min，滿足裝藥聯(lián)網(wǎng)后清場(chǎng)的時(shí)間要求，且該材料無(wú)毒無(wú)味，具有良好的阻燃性能，作為與火工品直接接觸的炮孔填塞材料是安全可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

良好的炮孔填塞能保證炸藥充分爆轟反應(yīng)，提高爆生氣體的壓強(qiáng)，延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間，從而改善爆破效果減輕爆破有害效應(yīng)。傳統(tǒng)的隧道爆破炮孔填塞方式，現(xiàn)場(chǎng)可操作性差，不僅給施工單位和作業(yè)人員帶來(lái)許多不便，而且達(dá)不到較好地填塞效果。以聚氨酯為基材的新型炮孔填塞劑以其簡(jiǎn)便快捷施工的優(yōu)勢(shì)，易于在爆破工程中推廣應(yīng)用。